| Tytuł: | Struktury kwantowe o bardzo szerokim spektrum emisji i zwiększonej intensywności emisji dla nowej generacji diod superluminescencyjnych InGaN/GaN |
| Kierownik projektu: | Grzegorz Staszczak |
| Laboratorium: | Laboratorium Badań Mikrostrukturalnych Półprzewodników (NL-12) |
| Nazwa konkursu, programu: | OPUS |
| Numer projektu: | 2021/41/B/ST7/04145 |
| Data realizacji: | 21.01.2022 20.01.2025 |
| Podmiot realizujący: | Instytut Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk |
| Typ realizacji projektu: | Projekt realizowany samodzielnie |
| Przyznane środki ogółem: | 1 417 032 zł |
| Przyznane środki dla podmiotu: | 1 417 032 zł |
| Instytucja finansująca: | Narodowe Centrum Nauki |
Opis projektu
| Celem projektu jest opracowanie technologii wytwarzania nowej generacji diod superluminescencyjnych (SLD) o szerokim spektrum światła (>25 nm) działających w zakresie światła widzialnego (400-440 nm). Emitery światła oparte na półprzewodnikach azotkowych są szeroko stosowane w naszym codziennym życiu. Popularne są diody elektroluminescencyjne (LED) i diody laserowe (LD). Ta rodzina emiterów obejmuje również mniej znane SLD, łączące przestrzenną spójność emitowanego światła typową dla LD z niską spójnością czasową (szerokie spektrum emisji) typową dla diod LED. Ze względu na te specyficzne właściwości, SLD doskonale sprawdzają się przede wszystkim w żyroskopach światłowodowych (FOG) oraz w systemach obrazowania medycznego, takich jak optyczna koherentna tomografia (OCT), gdzie wymagana jest niska koherencja czasowa i wysoka jakość wiązki światła. W przypadku SLD głównym problemem jest uzyskanie wystarczająco szerokiego spektrum emisji i wysokiej mocy wyjściowej. Zaproponowano kilka metod poszerzenia widma azotkowych SLD. Niestety, nie przynoszą one oczekiwanych rezultatów. Poszerzenie widma odbywa się kosztem znacznego spadku mocy optycznej ze względu na wysokie wbudowane pole elektryczne, obecność centrów nieradiacyjnych, problemy z wysoką koncentracją indu itp. W celu rozwiązania tych problemów proponujemy zastosowanie innowacyjnej struktury obszaru aktywnego SLD składającej się z zestawu studni qunatum InGaN/GaN, QWs (typ I) lub zestawu supersieci krótkookresowych InGaN/GaN, SLs (typ II), o różnych geometriach ekstremalnie wąskich QWs 0,5-2 nm, zmiennej zawartości indu, x≤0,25, oraz różnej szerokości QBs 0,75-6 nm w ramach każdego typu struktury. Dobierając szerokości QWs i/lub QBs, będziemy w stanie uzyskać jednoczesną emisję na kilku długościach fali (z poszczególnych QWs lub SLs), co przełoży się na szersze spektrum światła. W SL funkcje falowe QWs i QBs oddziałują ze sobą, przez co możliwa jest modyfikacja ich właściwości (w tym właściwości optycznych). Realizacja projektu polega na wykonaniu następujących zadań: - Symulacje struktur testowych LED o różnych geometriach; optymalizacja ich właściwości optoelektronicznych (WP1); - Przygotowanie struktur testowych LED typu I (WP2) i II (WP3) o różnych geometriach. Optymalizacja warunków wzrostu (charakterystyka optyczna, strukturalna i elektryczna); - Wytwarzanie SLD typu I i II. Przetwarzanie chipów SLD i optymalizacja projektu falowodów i całej wnęki rezonansowej (WP4). Struktury kwantowe badane w tym projekcie będą wytwarzane techniką metaloorganicznego chemicznego osadzania z fazy gazowej (MOCVD). Próbki testowe LED będą hodowane na szafirze, podczas gdy SLD będą hodowane na wysokiej jakości podłożach GaN. Badania strukturalne zostaną przeprowadzone za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM), dyfraktometru rentgenowskiego (XRD) i mikroskopii sił atomowych (AFM). Właściwości optyczne (energie emisji i szerokość widmowa, wbudowane pola elektryczne, efekty piezoelektryczne) próbek zostaną zbadane przez katodoluminescencję i fotoluminescencję w różnych temperaturach, mocach lasera wzbudzającego i ciśnieniach hydrostatycznych. Właściwości elektryczne SLD zostaną zbadane poprzez pomiar charakterystyk L-I (moc optyczna vs prąd) i U-I (napięcie vs prąd). Przeprowadzone zostaną również badania teoretyczne badanych struktur. Właściwości elektroniczne i optyczne zostaną obliczone przy użyciu metody ab-initio i symulowane przy użyciu komercyjnego oprogramowania. Azotkowe SLD stanowią wciąż innowacyjny typ emiterów. Nie ma zbyt wielu badań na temat wykorzystania azotków w SLD i ta dziedzina jest wciąż bardzo słabo rozwinięta. Z drugiej strony, zastosowanie materiałów opartych na azotkach pozwala na uzyskanie emisji w bardzo szerokim spektrum (od UV do czerwieni). Oznacza to, że SLD oparte na tych materiałach oferują nowe możliwości zastosowań, wcześniej niedostępne dla innych systemów materiałowych. Innowacyjne podejście zaproponowane w projekcie, polegające na wykorzystaniu zmodyfikowanych struktur obszaru aktywnego, ma na celu spełnienie warunków wymaganych w zastosowaniach SLD. Uzyskanie jednoczesnej emisji na różnych długościach fali (szerokie spektrum emisji) zaowocuje pokazaniem „proof of concept”, w szczególności w odniesieniu do możliwości zastosowania krótkookresowych SL w nowej generacji SLD. Wiedza ta będzie stanowić nowy i znaczący wkład w stan wiedzy w dziedzinie emiterów światła, a także może przyczynić się do badań podstawowych w dziedzinie optoelektroniki półprzewodnikowej. |